Rôle des surfaces et des interfaces dans les phénomènes d’usure, d’adhérence et de claquage

CEA IRDI — DESICP CEN Saclay, B.P. 2, 91191 Gif-sur-Yvette, France.

Résumé

L’étude du rôle joué par les surfaces dans le comportement des matériaux peut être abordée soit par analyse chimique de systèmes réels, soit sur des surfaces modèles par la recherche des phénomènes qui s’y développent.

L’analyse chimique des surfaces technologiques a permis de trouver des corrélations entre compositions et comportements mais, souvent ne permet pas encore, en dépit d’un développement considérable des méthodes, de trouver les mécanismes des phénomènes qui se combinent pour conduire à ces comportements.

L’étude des phénomènes élémentaires se produisant sur des surfaces modèles bien définies semble pouvoir être plus fructueuse dans ces problèmes plus complexes. Elle nécessite schématiquement trois étapes. En premier, il y a la mesure de l’énergie de surface y, l’étude des modifications de y en cours d’adsorption, de ségrégation ou en présence de champ électrique, puis le suivi des modifications des propriétés rhéologiques ou électriques qui en découlent. En second, il y a l’étude des défauts et des propriétés qui leur incombent. Il y a enfin l’étude des mécanismes dissipatifs d’énergie en cours d’application de contraintes mécaniques, électriques ou radiatives. Un résultat intéressant de cette démarche consiste à montrer qu’il ne faut pas disjoindre propriétés électriques et propriétés mécaniques des isolants. Toute modification de l’une entraîne une modification de l’autre, contrainte électrique et contrainte mécanique allant de pair. L’application de l’une entraîne l’apparition de l’autre. A partir de là, il devient possible d’expliquer les observations faites en cours d’usure, de fracture ou de claquage électrique. L’optimisation des compositions, des traitements et des technologies d’assemblage pour accroître les performances des matériaux peut alors être entreprise.

Abstract

The role of surfaces in the behaviour of materials may be studied either by chemical analysis of real systems or by examination of phenomena which develop on model surfaces.

Chemical analysis of technological surfaces has enabled correlations to be found between compositions and behaviours but these methods, in spite of their considerable development, have not yet brought to light the mechanisms of phenomena which combine to produce these behaviours.

The study of elementary phenomena taking place on well defined model surfaces seems more promising however. This is conducted in three stages. The first is to measure the surface energy y, to study the variation of y during adsorbtion or segregation, or in the presence of an electric field, and to follow the consequent changes in rheological or electrical properties. The second is to investigate defects and the properties incumbent upon them. The third is to study energy-dissipative mechanisms during application of mechanical, electrical or radiative stresses. One interesting result of this procedure is the demonstration that electrical and mechanical properties of insulators are not to be separated. Any change in the one leads to a change in the other, electrical and mechanical stresses going together, and application of either leads to appearance of the other. From than on it becomes possible to explain the observations made during wear, fracture or electrical breakdown and optimise compositions, treatments and assembling technologies to improve the performance of materials.